Voorverwarming en warmtebehandelingen na het lassen

Wat de lasinspecteur moet weten over voorverwarming en warmtebehandeling na het lassen

Bij het lassen van sommige basismaterialen en voor bepaalde gebruiksomstandigheden kunnen voorverwarming en/of warmtebehandeling na het lassen vereist zijn. Dit soort warmtebehandelingen is noodzakelijk om een passende lasintegriteit te garanderen en zal meestal ongewenste kenmerken van de gemaakte las voorkomen of verwijderen. Elke vorm van warmtebehandeling is duur omdat het extra apparatuur, extra tijd en extra handelingen vereist. Daarom mag warmtebehandeling alleen worden uitgevoerd na zorgvuldige afweging van de mogelijke voordelen. In bepaalde gevallen zal warmtebehandeling vereist zijn, zoals bij zware delen van laaggelegeerd staal, terwijl het in andere gevallen een gerechtvaardigde voorzorgsmaatregel zal zijn tegen vroegtijdige uitval tijdens het gebruik.

Er zijn verschillende redenen om deze warmtebehandelingen in het lasproces op te nemen. Hieronder bespreken we enkele van de meest voorkomende redenen.

Voorverwarming

Voorverwarming, zoals gedefinieerd in de AWS Standaard Welding Terms and Definition (Lastermen en Definitie), is 'de warmte die wordt toegepast op het basismetaal of substraat om de voorwarmtemperatuur te bereiken en te behouden'. De voorwarmtemperatuur wordt in hetzelfde document gedefinieerd als 'de temperatuur van het basismetaal in het volume dat het laspunt omringt onmiddellijk voordat het lassen wordt gestart. Bij meerlaags lassen is het ook de temperatuur direct voordat de tweede en daaropvolgende laag worden gestart' (interpass-temperatuur).

Hoe moet voorverwarming worden uitgevoerd?

Voor voorverwarming kunnen gasbranders, zuurstofgasvlammen, elektrische dekens, inductieverwarming of verwarming in een oven worden gebruikt. Voor uitstekende resultaten is een gelijkmatige verwarming rondom de verbinding van cruciaal belang. Intensieve, niet-uniforme verwarming heeft weinig zin bij het vertragen van de koeling en kan hogere restspanningen, vervorming of ongewenste metallurgische veranderingen in het basismateriaal veroorzaken.

Wanneer voorverwarming is gespecificeerd, moet de hele lasverbinding gelijkmatig over de hele materiaaldikte worden verwarmd tot de gewenste minimumtemperatuur. Om een gelijkmatige temperatuur over de hele materiaaldikte te verkrijgen, is het wenselijk om de warmtebronnen aan één kant van het materiaaloppervlak aan te brengen en aan de andere kant de materiaaltemperatuur te meten.

Telkens wanneer de verwarming en temperatuurmeting vanaf hetzelfde oppervlak moeten worden uitgevoerd, moet de inspecteur ervoor zorgen dat meer dan alleen het oppervlak van het materiaal is verwarmd. Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat het materiaal over de gehele dikte tot een uniforme temperatuur wordt verwarmd.

Naast het instellen van een voorwarmtemperatuur moet voor sommige toepassingen wellicht een interpass-temperatuurbeperking worden overwogen. Deze informatie moet worden weergegeven in de lasprocedurespecificatie. Wanneer een interpass-temperatuur is gespecificeerd, moet de lasplaats worden geïnspecteerd voordat de volgende lasrups wordt aangebracht. Het lassen mag niet doorgaan als de gemeten temperatuur de maximale interpass-voorwaarden overschrijdt die zijn gespecificeerd in de lasprocedure. De las moet kunnen afkoelen tot de gespecificeerde bovengrens van de interpass-temperatuur voordat verder wordt gelast.

Afhankelijk van de metallurgische eigenschappen van het materiaal en/of de gewenste mechanische eigenschappen van het gelaste deel kunnen de voorverwarm- en interpass-temperatuur om verschillende redenen worden geëvalueerd. Zo kan bij een procedure voor het lassen van zacht staal, dat een laag koolstofgehalte en een relatief lage hardbaarheid heeft en wordt gebruikt in een toepassing zonder speciale onderhoudseisen, rekening worden gehouden met een minimale voorwarm- en interpass-temperatuur op basis van de materiaaldikte.

Lasprocedures die worden gebruikt voor warmtebehandelbare laaggelegeerde staalsoorten en chroom-molybdeenstaalsoorten met schokvereisten zullen normaal gesproken een minimum- en maximumwaarde specificeren voor voorwarm- en interpass-temperaturen. Deze laaggelegeerde materialen kunnen een hoge hardbaarheid hebben en zijn gevoelig voor waterstofscheuren. Door deze materialen te snel af te laten koelen of te oververhitten, kunnen de eigenschappen aanzienlijk worden aangetast. Bij het lassen van de nikkellegeringen is voornamelijk de hoge warmte-inbreng tijdens het lassen een zorg. De warmte-inbreng van het lasproces en de voorwarm- en interpass-temperatuur kunnen deze materialen ernstig aantasten. Een hoge warmte-inbreng kan leiden tot overmatige liquatie, carbideafzetting en andere schadelijke metallurgische verschijnselen. Deze metallurgische veranderingen kunnen barsten of verlies van corrosieweerstand veroorzaken. Bij procedures voor het lassen van sommige aluminiumlegeringen, zoals de warmtebehandelbare, 2xxx-, 6xxx- en 7xxx-serie, speelt vaak de algehele verlaging van de warmte-inbreng een rol. Bij deze materialen wordt de maximale voorwarm- en interpass-temperatuur gecontroleerd om de invloed van gloeien en veroudering op de door warmte beïnvloede zone (HAZ) en het daaruit voortvloeiende verlies aan treksterkte te minimaliseren.

Bij kritische toepassingen moet de voorwarmtemperatuur nauwkeurig worden geregeld. In deze situaties worden regelbare verwarmingssystemen gebruikt en worden thermokoppels bevestigd om het te verwarmen onderdeel te bewaken. Deze thermokoppels geven een signaal aan de controller die de voor verwarming benodigde stroombron kan regelen. Met behulp van dit soort apparatuur kan het deel dat wordt verwarmd tot extreem nauwe toleranties worden geregeld.

Waarom is voorverwarming nodig?

Enkele van de belangrijkste redenen voor voorverwarming zijn:

a) Om vocht uit het lasgebied te verdrijven: Meestal wordt hiervoor het oppervlak van het materiaal verwarmd tot een relatief lage temperatuur, net boven het kookpunt van water. Hierdoor droogt het plaatoppervlak en worden de ongewenste verontreinigingen verwijderd die anders porositeit, waterstofbrosheid of barsten zouden kunnen veroorzaken door de opname van waterstof tijdens het lasproces.

b) Om de temperatuurgradiënt te verlagen: Alle booglasprocessen maken gebruik van een warmtebron van hoge temperatuur. Er ontstaat een sterk temperatuurverschil tussen de plaatselijke warmtebron en het koude basismateriaal dat wordt gelast. Dit temperatuurverschil veroorzaakt differentiële thermische uitzetting en krimp en hoge spanningen rond het gelaste gebied. Door het temperatuurverschil te verminderen door voorverwarming van het basismateriaal, worden problemen met vervorming en overmatige restspanning tot een minimum beperkt. Als geen voorverwarming plaatsvindt, kan er een groot temperatuurverschil ontstaan tussen de lasplaats en het moedermateriaal. Dit kan een snelle afkoeling veroorzaken, wat weer leidt tot de vorming van martensiet en waarschijnlijk barsten bij het lassen van sommige materialen met een hoge hardbaarheid.

Warmtebehandeling na het lassen

Verschillende soorten warmtebehandelingen na het lassen worden gebruikt om verschillende redenen en bij verschillende materialen.

a) Spanningsvermindering - Warmtebehandeling na het lassen wordt meestal gebruikt om de spanning te verminderen. Het doel van spanningsvermindering is het verwijderen van eventuele interne of restspanningen die aanwezig kunnen zijn bij het lassen. Spanningsvermindering na het lassen kan nodig zijn om het risico op brosheidsbreuken te verlagen, latere vervormingen bij het machinaal bewerken te voorkomen of het risico op spanningscorrosie te elimineren.

b) Verkrijgen van een geschikte metallurgische structuur - Voor sommige gelegeerde staalsoorten kan een thermische ontlaatbehandeling nodig zijn om een geschikte metallurgische structuur te verkrijgen. Deze behandeling wordt uitgevoerd nadat de las is afgekoeld, maar onder bepaalde omstandigheden moet deze behandeling mogelijk worden uitgevoerd voordat de las is afgekoeld om scheuren te voorkomen.

c) Normaliseren na het lassen - Extreem grove stalen lasconstructies, zoals met het elektroslaklasproces, kunnen na het lassen worden genormaliseerd. Deze behandeling verfijnt de grove korrelstructuur, vermindert spanningen na het lassen en verwijdert eventuele harde zones in de door warmte beïnvloede zone.

d) Herstel van oorspronkelijke eigenschappen - De precipitatiehardende legeringen, zoals de warmtebehandelbare aluminiumlegeringen, moeten soms een warmtebehandeling na het lassen ondergaan om hun oorspronkelijke eigenschappen te herstellen. In sommige gevallen wordt alleen een verouderingsbehandeling gebruikt, hoewel een volledige warmtebehandeling en kunstmatige verouderingsbehandeling zullen leiden tot een beter herstel van de eigenschappen na het lassen.

Wanneer bij het lassen voorverwarming en/of warmtebehandeling na het lassen wordt toegepast is het belangrijk dat de lasinspecteur deze vereisten begrijpt om ervoor te zorgen dat ze correct worden uitgevoerd en in overeenstemming met de relevante lasprocedurespecificaties en/of eisen in de norm.